先进燃气涡轮发动机测试技术及发展

（海军装备部，陕西 西 安 7 10000）

随着燃气涡轮发动机技术的不断提升，新材料、新工艺、新结构大量应用，对相应的测试计量技术也提出了更高得要求，本文分析了国外先进燃气涡轮发动机测试计量现状，重点研究了国内新一代发动机在测试计量校准体系、量值溯源体系、综合测试系统校准技术、专用测试设备校准技术、特种测量技术的校准技术、现场校准技术方面的需求，并提出了相应的解决方案，同时结合我国燃气涡轮发动机行业现状，提出了急需发展的关键测试计量技术。

1 概述

1.1 先进燃气涡轮发动机技术特点及发展趋势

先进燃气涡轮发动机特别强调高的热力性能、可靠性、维修性和低寿命费用。其采用的新技术主要有：损伤容限和高效率的宽弦叶片、三维压气机叶片、刷式封严和故障诊断和状态监控系统。其发展趋势主要为：

（1）涡轮前温度T4大幅提高；

（2）总增压比持续提高；

（3）新材料应用:有机复合材料、陶瓷基复合材料、纤维增强超基合金等；

（4）控制系统数字化。

1.2 先进测试技术

先进测试技术是对被测对象的参量进行测量，将测量信息进行采集、变换、存储、传输、显示和控制的技术，是能大量储存和快速处理信息的计算机技术和传输信息的通信技术的综合[1~2]。现代制造技术的快速进步引发了许多新型计测问题，推动着传感器、测试计量仪器的研究与发展，促使测试技术中的新原理、新技术、新装置系统不断出现，呈现出一些新的特点[3]：

（1）精密测试与极端测试需求不断增加；

（2）测试系统的网络化与智能化；

（3）测试信息的集成与多信息融合；

（4）虚拟测试与虚拟仪器广泛应用。

2 国外先进燃气涡轮发动机测试计量现状

2.1 发动机测试技术

在发动机测试技术上，先进的测试系统加快了燃气涡轮发动机的试验进程，也催生了信息化平台的建立，带动了燃气涡轮发动机设计、仿真技术的发展。特种测试仪器、测试技术和传感器的应用，为更加快捷的获取发动机的特性数据提供了新方法。例如，红外高温计、示温漆、薄膜热电偶测温和晶体测温等技术，已广泛应用于发动机热端部件表面温度的测试。

2.2 发动机检测

在发动机检测上，复合材料、超级合金以及新加工工艺的应用所需的检测技术也受到特别关注。例如，美国GE检验科技公司研发的LOGIQ9R NDT超声波相控阵检测系统，融合了GE在医疗设备上的专利技术，是专门为检测发动机盘、环类零件而设计的，可完全满足GE飞机发动机锻件检验的技术要求，并将检验时间至少缩短一半，大大降低了总成本，是目前效率最高的检验系统，荣获了“2005弗洛斯特和苏利文杰出技术奖”。

2.3 发动机计量校准

在发动机的计量校准上，更加注重更高精度校准技术的研究，美国空军阿诺德工程发展中心及俄罗斯的CIAM试验基地，都有相当高的计量技术水平，拥有先进的校准及检测机构。例如，CIAM试验基地拥有既满足自身要求，又满足行业需求的发动机全部参数的测量标准和装置，其校准系统的多项标准代表着其国家计量的最高水平，其实验中心的计量部门已被授予具有检验测量设备、鉴定测量方法和评审计量文件的权利。

2.4 发动机计量保障

欧美国家发动机研制中的计量保障工作，已经从计量室的纯量值传递延伸到试验现场的校准，走到了对发动机研制全过程实施计量保障服务的阶段。无论是发动机研制所需的专用或通用测量器具、测量设备，还是仿真系统，凡是有数据输出的，无一例外，都要在使用中受到量值溯源性的约束，以确保其使用的准确性与适用性。

3 国内新一代燃气涡轮发动机对测试计量技术的需求分析研究

3.1 新一代燃气涡轮发动机对测试计量校准体系的需求

发动机制造和试验的计量与校准，就是建立完善的燃气涡轮发动机试验全流程物理测量参数量值溯源及试验测试设备校准体系。通过实验室或现场检定、比对、标定及校准等量值传递和溯源活动来保证燃气涡轮发动机及其零部件试验测试数据的单位统一和量值准确可靠。为了获得高精度的测试，现代燃气涡轮发动机的试验，更多的是依靠标准装置或校准设备对测试系统、试验设备进行定期或不定期的，在线或离线的校准来达到的。

3.2 量值溯源体系的完善

完善新一代燃气涡轮发动机参数量值溯源体系，特别是流量参数量值溯源体系部分（包括燃油流量校准、小流量校准、空气流量校准等）、温度极限参数量值溯源体系部分（包括高达1 800 K以上的高温校准以及低温校准）和应力、应变参数量值溯源体系部分。

3.3 综合测试系统校准技术

GJB241-87《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》和GJB721-89《涡喷涡扇发动机试车台校准规范》明确规定了燃气涡轮发动机测试系统必须经过计量、校准达到规定的技术要求。由于发动机试车台综合测试系统是集多参数、多通道的综合测试系统，其系统组成复杂、涉及参数多，研究形成统一的校准、评定方法是目前急需解决的问题。

3.4 专用测试设备校准技术

在新一代燃气涡轮发动机试验过程中，有许多特殊的专用测试设备无法通过单纯的实验室计量、校准完成量值溯源，以及对其测量结果准确性、可靠性的验证。使用单位必须根据专用测试设备的结构、组成、参数特性研究其计量、校准技术。如推力台架及测试设备的综合校准、推力矢量测量系统的校准等。

3.5 特种测量技术的校准技术

新一代燃气涡轮发动机试验必将采用许多新的测试方法、测试技术，在开展新测试技术研究的同时，必须开展其校准技术的研究。如红外测温校准技术、示温漆测温校准技术、荧光衰变测温校准技术、激光多谱勒测速仪和粒子成像速度计校准技术、压敏漆测压校准技术等。

3.6 现场校准技术

新一代燃气涡轮发动机试验环境条件恶劣，其测试设备的技术性能、相互干扰相比于实验室额定条件有不可忽略的影响。通过开展现场校准技术研究，可以准确、真实地反映测试系统在试验条件下的技术状态。需开展燃油流量现场校准技术、高温现场校准技术等研究。

4 新一代发动机研制中零部件加工及装配阶段所需的关键测试计量技术探讨

保障体系的建立与完善其根本目的就是严格控制零部件的加工品质，使其达到设计型面、尺寸、粗糙度、强度、结构、材料等要求，另外就是在装配过程中对装配质量进行控制，确保装配达到设计结构配合要求。现阶段，我国燃气涡轮发动机行业急需发展的关键测试计量技术有以下几个方面：

（1）整体叶盘焊接过程的定位、控制和在线检测技术；

（2）叶片在线检测技术；

（3）薄壁件几何参数的非接触测量检测技术；

（4）喷嘴关键件的光学成像准确检测技术；

（5）2D及3D参数、形貌分析及粗糙度参数非接触测量技术；

（6）齿轮、螺纹参数等复杂零件三坐标测量检测技术；

（7）发动机静子机匣各截面椭圆度和支点跳动光学方法检测技术；

（8）宽范围燃油流量测量。

5 结束语

通过系统的梳理国内外燃气涡轮发动机行业测试技术发展现状，提出了建立我国新一代发动机测量体系和相关技术的发展方向，经秦岭发动机等几个型号研制生产试用，进一步完善了发动机测量技术体系，也极大的推动了发动机研制生产进程。

[1]殷国富，杨杰斌，赵雪峰，等.面向现代制造的先进测试技术及其发展趋势[J].中国测试，2010,36(1):2-3.

[2]郭阳宽.现代测控技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]国家自然科学基金委员会工程与材料科学部.学科发展战略研究报告：机械与制造科学[R].北京：科学出版社，2006.